第二次鴉片戰爭大沽口炮臺失守後，清政府派人與英法聯軍在通州談判，1860年9月18日通州談判決裂，咸豐向英法宣戰，宣戰後，清政府一想，打仗我打不過你，你的談判代表我談不過你，於是想了個絕招——好，你們都別走了，於是將在張家灣談判的巴夏禮等26名英人、13名法國人逮起來，僧格林沁對巴夏禮說：“你們贏了兩次，我們只贏了一次(指三次大沽之戰)，我知道你的名字，是你煽動手下胡作非為，是到了教外國人學會尊重的時候了，於是準備與聯軍一決雌雄。
而後咸豐指示清軍將領：“夷人用兵馬隊在前，步卒在後，打起仗來馬隊分左右兩翼進攻，步卒分三排前進，第一排蹲在地上，第二排微屈身子，第三排站立。第一排先開槍，第二排、第三排相繼開槍。我軍若是正面迎改，必然被夷人的槍炮擊敗，因此不要正面作戰，應斜抄橫擊，這樣就可避開夷人的槍炮了。夷人為什麼遲遲不進軍？朕估計他們知道咱早有準備，所以不敢快速推進，但就怕他們窮急來犯，所以要防著點。
僅用正規軍隊與夷人作戰是不行的，夷人大狡猾，因此我們要出奇兵。聽說夷人前鋒只有幾百人，都駐紮在李兒寺(原文如此，疑誤，河北無此地名)南，其他都在大後方，我們能不能派3000騎兵騷擾其後方，敵進我退，敵退我追，弄得他們不敢北上，然後我們兵分三路攻擊他們，就差不多了吧。
咱能不能晚上換著班輪番出去？夷人生性多疑，我們這麼一鬧，他們軍心就亂了，他們一亂咱就好辦了。朕已降旨，有斬殺夷人焚燒夷船者大大有賞，你再宣佈一下。凡有斬首來獻者，一定當場發獎金，千萬別小氣不給。如有擒獲夷人，不必押解京師，就地正法。”(《籌辦夷務始末》卷六十二)
為樂解救被俘的談判代表，1860年9月21日英法聯軍6000人出通州，沿著運河方向向北京城進軍，4個小時後英法聯軍了到達八里橋(距通州八里而得名)，橋頭有石獅子一對，雄視遠方，橋下運河緩緩流過。八里橋雖其貌不揚，但橋上橋下卻是連接京師與南方的水陸要道。
3萬清軍已經在八里橋左右一里嚴陣以待，清軍埋伏在樹林中，僧格林沁的蒙古馬隊伏擊東路，勝保伏擊南路，瑞麟伏擊東路。勝保率領的清軍先與敵軍先頭部隊遭遇，勝保一馬當先，清軍的騎兵隨即奮不顧身蜂擁衝向敵軍，雙方鏖戰在一起，法軍不敵清軍開始敗退，瑞麟率領的這一路清軍卻一觸即潰，直接動搖了勝保率領清軍的軍心，法軍很快組織起反攻。
勝保下巴中彈，鮮血灑滿胸前仍然指揮清軍血戰，極大地鼓舞了清軍士氣，部下傷亡雖多，但沒有一個人退縮。法軍的炮彈擊中勝保的馬頭，彈片從馬鞍穿過，灼傷勝保的胯下，人仰馬翻，勝保左臂被壓傷，幸好被救了起來。
這時孟託班率領的法軍主力部隊趕到，英軍從兩翼對法軍支援，敵軍衝到八里橋前百米處時，僧格林沁下令清軍火炮對敵軍開火，不過清軍的炮火一點不準，基本從敵人頭頂掠過，在遠處爆炸，清軍步兵在戰壕內放火繩槍也不能有效殺敵。於是僧格林沁下令騎兵出戰，蒙古馬隊呼嘯著蜂擁衝向敵軍，眼看離法軍的陣地越來越近，到50米時法軍突然起立，以密集步槍火力實行狙擊，蒙古馬隊騎兵無數被擊斃，受驚的馬匹四處衝竄，引起—片混亂。
僧格林沁不甘心就這樣敗退，他用人海戰術衝擊法軍陣地，蒙古馬隊繼續衝鋒，騎兵手持長矛弓箭從四面迂迴包抄敵軍。法軍以兩連狙擊手排成圓陣，四面開火，清軍不斷落馬，跌倒在地，後隊仍繼續衝鋒，長矛如林，箭矢如雨，向法軍發射，很快人海戰術起到了作用，法軍的隊形被衝散，蒙古馬隊開始佔上風。但這種情況並沒有持久，英軍趕到了戰場，戰場形勢開始反轉。
英軍帶來了最新發明的阿姆斯特朗炮，這種後裝線膛炮製造精良，炮身輕，射程遠，精度高，每門炮重僅406千克，用4匹馬就可輕鬆拖動。法軍此時也將家底拿破崙炮拿出，進入炮位的英法聯軍開始射擊，能發射12磅炮彈的阿姆斯特朗炮射程超過4500米，一時間一發發炮彈傾瀉在橋上，大批清軍倒下，橋上的大理石被炸得粉碎，四散飛去，橋上兩座石獅子轟然倒塌。
聯軍的重武器對清軍予以巨大打擊，在輕武器方面法軍使用1849年試製成功的米涅式步槍，最大射程近千米，英軍裝備了1852年問世的恩菲爾德步槍，這種槍裝彈快捷，施放靈活，是歐洲最好的步槍，聯軍的這兩種步槍同樣給了清軍巨大殺傷。
激戰中，子彈不時穿透清軍士兵的軀體，炮彈在清軍身旁不斷爆炸，濃烈的煙塵擴散為一團團渾濁的霧氣，空氣中到處瀰漫刺鼻的硝煙，運彈藥的士兵扛著一隻只沉甸甸的木箱穿行在戰壕工事間，負傷者或呻吟慘叫，或默然無語地包紮，被抬走，陣亡者被拖下陣地擺在一旁。槍炮聲，血腥氣味與漫天煙塵將作戰的清軍籠罩著。如果有人無意間抬起頭來，他會看見原本晴朗的天空中那輪太陽早巳暗淡無光。
這樣的戰鬥持續了3個小時，運河橋上堆滿了屍體，守橋將領騎在馬上，揮舞黃旗仍然呼喊下令，兵勇圍成圓陣，手持火繩槍及弓箭長矛，前仆後繼，最終英法聯軍以大炮交叉射擊，以步兵發起衝鋒，步步進逼，殺到橋上，開始了肉搏戰，片刻後八里橋恢復了平靜。關於此戰一位法國軍官做了記載，對清軍充滿了欽佩之情。英國人說：“歐洲誤傳中國軍隊是缺乏勇氣的，這是一種誤解。八里橋之戰中國軍隊以少有的勇敢迎頭痛擊聯軍。
此戰中西軍事的實際差距終於使國人從天朝迷夢中清醒過來，這是近代軍隊與封建軍隊交鋒的一次經典戰役。此戰清軍死了15000人，法軍死了3人，傷17人，英軍死了1人，但聯軍卻病死了幾十人，足見差距之大。可是真相是不會如此的，試想，既然英法記載清軍是“勇敢的鬥士”，“寸步不退”，那麼怎可能在此情況下自己這方才死4個人呢？但此戰的確暴露了中國與英法軍事上的極大差距。
英法聯軍當時已經過拿破崙戰爭的考驗，兵員是義務兵役制加職業軍官團，用的是空心方陣和三排陣列戰術，而清軍是步騎混合軍隊，與英法聯軍有一個時代的差距，豈能不敗。
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